라. 단백질 구조의 개요도
단백질의 개요도는 이차구조를 잘 보여준다. 모든 원자들을 보여주는 단백질 구조를 보면 누구나 너무 많은 정보에 혼란스러워진다 (그림 9a). 단백질구조에는 이차구조물들이 주로 존재하기 때문에 이것들을 단순화시키고 잘 드러나도록 하면 그림은 훨씬 분명해진다. 그렇지만 너무 단순해진 그림 (그림 9b) 또한 이해하기가 어렵다. 보다 좋은 방식의 하나는 알파나선에 대해서는 원통으로, 베타가닥에 대해서는 화살표로 (아미노로부터 카르복시로), 나머지는 리본으로 표시하는 것이다. 그러한 개요도 (그림 9cd)는 단백질 구조들의 전체적인 모양을 잘 보여준다. 이들은 컴퓨터 화상에서 그래픽 전개도를 이용하여 얻어진 그림들로 그냥은 이해하기가 쉽지 않지만 컴퓨터 그래픽에서는 보다 세부적인 것을 이해할 수 있다. 이 그림들은 모두 myoglobin의 그림이다. 앞의 그림보다  부드러운 형태의 컴퓨터 그래픽을 보자. 왼쪽은 myoglobin, 오른쪽은 triose phosphate isomerase의 그림이다.

위상도는 단백질 구조들의 분류에 유용하다. 어떤 목적을 위해서는 이차구조물들 특히 베타판들의 경우에는 보다 단순화된 그림이 편리하다. 베타판들의 가장 특징적인 모습은 가닥들의 수, 그들의 상대적인 방향, 평행 또는 역평행 여부, 가닥들이 폴리펨타이드 사슬에 어떻게 연결되어 있는지 (다른 말로 가닥의 순서)들이다. 이러한 정보는 그림 11에서처럼 연결된 화살표들의 간단한 그림을 통해 전달될 수 있다. 윗부분의 정교한 컴퓨터 그래픽과 비교하여 보아라. 어렵게 생각하지 말고 베타가닥을 윗부분의 그림에서 보이는데로 순서적으로 연결하면 된다.


마. 단백질 구조의 모티브
이차구조물들은 간단한 모티브들로 연결되어 있다. 몇 개의 이차구조물들이 특이적인 기하적 배열로 간단히 조합되는 것이 단백질 구조들에서 자주 발견되어 왔다. 이러한 단위체들은 초이차구조 또는 모티브 (motifs)로 불린다. 여기서는 모티브라는 용어가 사용될 것이다. 이러한 모티브들 중에 어떤 것은 DNA결합과 같은 특별한 기능과 관련되어질 수 있고, 어떤 것들은 독자적으로는 특이적인 생물학적 기능이 없으나 보다 큰 구조적 기능적 집합체들의 부분을 이룬다.

1. Helix-loop-helix 모티브
특이적인 기능을 가진 가장 간단한 모티브는 두개의 알파나선이 하나의 고리로 연결된 (helix-loop-helix) 것이다. 각각이 특징적인 모양과 아미노산 서열을 가진 그러한 모티브 두가지가 많은 단백질 구조들의 일부분으로 관찰되어 왔다. 첫번째는 DNA-결합 단백질에서 나타나는 모티브이고 (그림 12a), 두 번째 모티브는 칼슘결합 모티브 (그림 12b)로서 단백질 구조에서 처음 밝혀진 기능적 모티브이다. 이것은  parvalbumin의 구조에서 발견되었다. 이 모티브는 칼슘과 특이적인 결합을 이루는 것으로 calmodulin, troponin-C, 그리고 칼슘과 결합하여 세포활성을 조절하는 다른 단백질들에도 존재한다. Parvalbumin은 109개의 아미노산들의 단일 폴리펩타이드 사슬로 이루어진 근육단백질이다. 이 단백질에 칼슘이 결합하여 근육수축에 진행된다. 이 단백질 구조에서는 HLH (helix-loop-helix) 모티브가 세번 나타나는데 그 중 두개에는 칼슘결합자리가 존재한다. 그림 13a는 이 모티브를 자세히 보여준다. 오른쪽의 손모양을 주목하라. Parvalbumin 구조에서 E와 F 번에 해당되는 나선들이 이 모티브를 보여주었기 때문에 EF hand라 불리기 시작하였다.  두개의 나선들 사이의 고리 영역이 칼슘원자와 결합한다. 보다 자세한 그림 13b를 보면, D와 E의 카르복시 곁사슬과 주사슬 C'O와 H2O는 금속원자에 대한 리간드들을 형성한다 . 따라서 고리의 특정 곁사슬만이 아니라 특정 주사슬 구조들도 이 모티브의 기능을 제공하고 있다. 이 HLH은 칼슘리간드들이 칼슘과 결합하고 방출하기에 적합토록 적절한 위치에 뼈대를 이루고 있다. 즉, 두 개의 나선들은 고리영역을 안정하게 유지하는 뼈대를 형성하는 것이다. 그러한 모티브 4개로 이루어진 troponin-C의 구조 (그림 13c)를 보면 이해가 될 것이다.

그러한 모티브를 형성하기 위해서는 어떤 아미노산 서열이 만족되어야만 한다. 그림 13b와 표 2를 비교하여 보아라. 그 모티브는 12개의 인접하는 잔기들의 고리에 이웃하는 E와 F 두개의 알파나선으로 구성된다. 고리 잔기들 중 5개는 칼슘 리간드들이고 그 곁사슬들은 하나의 산소원자를 가져야 하며 우선적으로 D나 E이어야할 것이다 (표 2). 고리의 6번째 잔기는 다른 잔기들의 경우는 모티브의 구조를 망치기 때문에 G이어야만 할 것이다. 최종적으로 몇가지 곁사슬들은 알파나선과의 사이에 소수성 중심을 형성하기 때문에 소수성이어야만 한다.  이러한 제약에 근거하여 여러가지 다른 칼슘결합 단백질들이 이 모티브를 형성할 것으로 예측하였고, 이들의 결정구조는 이러한 예측이 정확하였음을 보여주었다.  우리는 여기서 일차구조가 삼차구조를 결정하는 예를 보는 것이다.

 

2. 머리핀 베타 모티브 (또는 간단히 베타 머리핀)(hairpin b motif)
베타가닥들을 포함하는 가장 간단한 모티브는 칼슘결합 모티브보다 더 간단하여 두개의 이웃하는 역평행 가닥들이 하나의 고리로 연결된 것이다.  이 모티브는 머리핀 또는 b-b 단위체로 불리며 단백질구조에서 매우 자주 발견된다. 이것은 대부분의 역평행 베타 구조들에 존재한다. 베타가닥들은 아미노산 서열에서 연이어있을 때 머리핀 베타 모티브을 형성하면서 서로 이웃하는 경향이 강하다. 고리 영역들의 길이들은 다양하나 보통 2-5개의 잔기들로 이루어진다 (3장의 그림 8). 이 모티브와 연관된 특이적인 기능은 없다.
그림 14는 소의 트립신 저해제와 뱀독 erabutoxin에서 나타나는 베타머리핀 구조들을 보여준다.  

3. 희랍문양 모티브 (Greek key motif)
희랍문양 모티브는 역평행 베타판들에서 발견된다. 4개의 이웃하는 역평행 베타판들은 희랍문양이라고 불리는 고대 희랍에서 사용되던 장식문양 중의 하나인 반복단위와 유사한 형태로 배열되어 있다. 따라서 단백질들에서 그 모티브는 희랍문양 모티브로 불린다. 그림 15에서 그 예로 Staphylococcus의 DNA분해효소의 구조를 보여준다. 이 모티브는 어떤 특이적인 기능과 연관되어 있지 않으나 단백질 구조에서 자주 발견된다. 4개의 역평행 베타판들로 이루어진 희랍문양 모티브가 다른 배열들보다 자주 나타나는 데 대한 설명이 그림 16에 제시되어있다. 양 베타가닥들 사이에 고리들을 가진 하나의 긴 역평행 구조가 접히면서 생긴다. 베타가닥 1과 2는 물론 3과 4 사이의 고리 영역들에서의 구조적 변화에 의해 윗쪽 부분이 아래로 접혀지고 베타가닥 2는 베타가닥 1과 근접하여 수소결합들을 이루면서 희랍문양 모티브가 완성된다.

4. b-a-b모티브
평행 베타가닥들의 교차연결은 자주 알파나선에 의해 만들어진다 (그림 17a). 이러한 모티브는 b-a-b 모티브로 불리며 평행 베타판을 가지는 거의 모든 단백질 구조의 일부분으로 발견된다. 예로서 그림 10b에서 보여주었던 triose phosphate isomerase는 전적으로 이러한 모티브의 반복된 조합으로 이루어져 있으며 두개의 연이은 모티브가 하나의 베타 가닥을 공유하고 있다. 다르게 표현하면 4개의 b-a-b 모티브들로 구성된다 (그림 20).
b-a-b 모티브에서의 알파나선은 한 베타 가닥의 카르복시 말단과 다른 베타 가닥의 아미노 말단을 연결하고 있으며 (그림 17), 보통 나선축이 베타 가닥에 대충 평행한 방향으로 놓여있다. 이것은 베타가닥들의 반대편에 쌓이기 때문에 베타가닥들의 소수성 잔기들은 용매로부터 감추어지게 된다. 따라서 b-a-b 모티브는 두개의 평행 베타가닥과 하나의 알파나선 그리고 두개의 고리영역으로 구성된다. 고리 영역은 한두 개의 잔기들로부터 백 개가 넘는 매우 다른 길이로 이루어질 수 있다. 두개의 고리들은 다른 기능을 가진다. 베타가닥의 카르복시 말단을 알파나선의 아미노 말단과 연결하는 고리 (그림 2.17에서 진녹색)는 자주 이들 구조들의 기능적인 결합자리나 활성자리를 형성하는데 관여한다. 이러한 고리영역들은 따라서 상동단백질들에서 보존된 아미노산 서열들을 가지고 있다. 다른 고리 (그림 2.17에서 연녹색)의 경우는 아직까지 활성자리에 관여하는 것이 발견된 적이 없다.
b-a-b 모티브는 하나의 베타가닥이 돌아서 다음 베타가닥으로 이어지는 느슨한 나선회전으로 여겨질 수 있다. 이 모티브는 따라서 원리적으로 두개의 다른 방향을 가진다 (그림 2.18). 알려진 단백질에서 모든 b-a-b 모티브는 오른손 알파나선과 동일한 방향을 가지는 것으로 발견되어 오른손잡이로 불리고 있다. 하지만 이러한 규칙성에 대한 적절한 설명은 발견되지 않고 있다.


바. 도메인
1. 큰 폴리펩타이드 사슬들은 여러 개의 도메인으로 접혀진다.
삼차구조의 기능적인 단위체는 도메인이다. 도메인은 폴리펩타이드 사슬로 정의되거나 안정한 삼차구조로 독립적으로 접혀질 수 있는 폴리펩타이드 사슬의 일부분으로 정의된다. 도메인들은 또한 기능의 단위체들이다. 대부분 한 단백질 내의 다른 도메인들은 각기 다른 기능을 가지고 있다. 단백질들은 하나의 도메인을 이루거나 많게는 수십개의 도메인들을 이룬다 (그림 2.19). 그림의 설명에서 보듯이 ,,,은 각각의 특이적인 도메인이다. 하나의 도메인과 하나의 단위체 간에 기능적, 구조적 구분은 없다. 많은 경우 한 종에서 별개의 폴리펩타이드 사슬들에 의해 수행되는 여러 가지의 생물학적 기능들이 다른 종에서는 하나의 단백질 내에 있는 도메인들에 의해 수행되기도 한다. 앞에서 보았던 합성효소의 경우 식물 엽록체에서는 7개의 다른 단백질들에 의해 구성되나 포유류의 경우는 7개의 도메인으로 배열된 하나의 폴리펩타이드 사슬에 의해 구성된다.

2. 도메인들은 구조적 모티브들로부터 만들어진다.
도메인들은 이차구조물들과 모티브들이 다르게 조합되면서 형성된다.  모티브들의 알파나선과 베타가닥들은 삼차구조에서 서로 이웃하며 고리영역에 의해 연결되어 있다. 연이어 있는 모티브들, 다른 말로 폴리펩타이드 사슬의 연속된 일차구조로부터 형성되는 모티브들은, 보통 삼차원구조에서 가깝게 위치한다 (그림 20). 따라서 처음 추론하기는 폴리펩타이드 사슬은 이러한 간단한 모티브들이 순차적으로 배열될 수 있다는 것이다. 그렇지만 단백질들에서 발견되는 그러한 조합들의 수는 제한되어 있으며, 어떤 조합들은 구조적으로 선호되는 것으로 보인다. 따라서 유사한 도메인 구조들은 완전히 다른 아미노산 서열을 가지며 다른 기능을 가진 단백질들에서도 자주 나타난다.

이상의 내용들은 지난 주의 강좌 맨 앞에 표로 정리되어 있다.
레포트: 이 정리된 표를 나름대로 보강하여 제출하라 (A4 한 장, 상단에 이름 기입).

 Computer Graphic Course at Cornell